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原文传递山东省沥青路面区划及力学响应分析

论文题名：	山东省沥青路面区划及力学响应分析
关键词：	沥青路面;温度分布;力学行为;破损机理
摘要：	山东省是我国公路建设大省，尤其是高速公路的建设，时间早，里程长。在长期的工程实践中，山东省的高速公路也形成了自己的路面结构及材料使用的特点。但与全国其他地区一样，其沥青路面的破坏现象也很突出。大量沥青路面的使用实践已经表明：沥青路面温度状况对于沥青路面结构的承载能力和使用性能有重要的影响，如何利用路面周围气温变化准确地预测沥青路面内的温度分布，成为优化沥青路面结构与材料设计的关键。同时积极开展复杂条件下沥青路面力学行为的研究对于全面了解路面破损机理是至关重要的。通过对路面结构在复杂条件作用下的效应分析，研究路面结构的整体变形规律，进而提出相应的路面结构破坏的控制技术，对于促进公路交通基础设施的健康发展具有特别重要的意义。　　通过试验路的实际检测，分析了山东气象条件下的沥青路面温度分布情况，高速公路沥青层厚度较大，路面温度分布结果也显示出高厚度下造成 SMA+AC层与 LSPM层温度分布呈现了不同型态，SMA+AC层温度随着时间的变化有显著起伏分布,而LSPM层温度随着时间的变化表现比较平缓，根据此分布特性，选取表面温度、当时大气温度与量测时间等作为参数对路面温度进行预测，分别建立高速公路沥青路面SMA+AC层和LSPM层温度预测模式。预测模式的建立，为了解路面内部实际的温度情况，提供了更便捷的方法。沥青路面温度预测模式的提出，也为后期路面试验检测、服务寿命分析、结构设计等工作提供了有效的数据支持。　　针对气候条件特别是温度与降水对路面结构的影响，本研究整理总结了山东省30年的气象资料，并结合路面温度预测模式，确定了气候区划的指标：7月份路面的最高温度、路面的极端最低温度、降雨量。最终划分出沥青路面气候高温气候区划5个，划分界限：56℃、58℃、60℃、63℃，高温的分布趋势是内陆高，沿海低，西北高，东南低；低温气候区划5个，划分界限：-20℃、-17℃、-14℃、-12℃，沿海温度高，内陆温度低；降雨量区划3个，划分界限：600mm和700mm，雨量分布特点是由西北向东南逐渐则增多。不同气候区划的温度和降雨量差别较大，鲁北与鲁中地区年温差较大；鲁南地区降水较少，夏季气温高；半岛地区由于受海洋气候影响，温差不大，但降雨量和降雨日数较大。　　采用FLAC程序进行数值模拟，对饱和沥青路面的动力相应分析，找出饱和路面在车辆的动荷载作用下得变形、应力、空隙水压力的变化规律，并对参数敏感性进行分析。动力荷载对饱和沥青路面结构的竖向变形、水平应力、剪切应力影响较大，动力荷载为0后的一段时间内，结构内部仍存在较大的水平应力、剪切应力、竖向变形。瞬时荷载消失后，孔隙水压力消散迅速，这是由于超孔隙水压力的形成是力学边界发生改变所形成的，当力学边界恢复时，其孔隙水应力也就迅速消散，因此动力荷载对孔隙水压力的影响较小。随着面层模量增大，面层的竖向变形、竖向应力、剪切应力均降低，而水平应力则有所增大；且当面层模量大于2100Mpa时，模量的增加对竖向变形、竖向应力、水平应力均降低，而水平应力影响较小；面层厚度对结构的竖向变形、竖向应力、剪切应力的影响相对面层模量对其的影响要小得多；面层厚度的增加，能明显降低面层下方的孔隙水压力。此研究为预测沥青路面结构层破坏规律提供了依据。　　以山东高速公路沥青路面结构设计方案的概化模型为基础，参考当地温度状况和气象资料，利用ABAQUS模拟计算了温度-应力场耦合作用下沥青路面结构在不同工况条件下的变化情况，通过对不同温度场参数进行模拟计算并比较分析得到：沥青面层具有较好的衰减温度作用；随着导热系数的增加，面层内温度均有增加，；比热容的增加会降低每个深度部位的日最高温度。在整个路面结构中，路表温度应力幅度变化最大。随着路面深度的增加，应力最大值变化幅度越来越小；水平应力表现为拉应力，在相同强度车轮荷载作用下，温度越高水平方向的应力梯度越明显；剪应力变化主要集中于面层。随着温度的增高，剪应力在面层向深层释放的范围就越大。因此，路面温度越高时剪切破坏的可能性就越大；竖向应力在面层内主要为压应力，基层内主要为拉应力，温度的变化对竖向应力影响不大，因此耦合效应不能忽略。温度场与应力场耦合作用时，路面结构的最大拉应力仍然出现在底基层底面，基层底面和底基层底面的拉应力的变化较为平缓。最大压应力出现在面层底面；最大剪应力出现在面层底面，最小剪应力出现在底基层底面。面层内剪应力呈微小波动下降趋势，路表的剪应力波动最大但没有出现下降现象；最大的竖向应力出现在路表，随着深度的增加呈递减趋势。面层内竖向应力呈波动递减趋势，路表处振幅最大。此研究有助于找出结构变形破坏规律，对有效控制和预防路面损坏具有重要的现实意义。
作者：	王琨
专业：	道路与铁道工程
导师：	郝培文
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文